UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA E DE
COMPUTAO
Um Estudo de Metamaterial em Antenas de Microfita
Marinaldo Pinheiro de Sousa Neto
Orientador: Prof. Dr. Humberto Csar Chaves Fernandes
Natal RN,
Abril de 2014
Tese de Doutorado apresentada ao
Programa de Ps-Graduao em
Engenharia Eltrica e de Computao da
UFRN (rea de concentrao: Engenharia
Eltrica) como parte dos requisitos para
obteno do ttulo de Doutor em
Cincias.
Ao meu av, Antnio Jos de Aquino (in memorian).
Agradecimentos
Agradeo a Deus, por ter me dado fora e tranquilidade para a concluso deste trabalho.
Aos meus pais, Maria Jos de Aquino Sousa e Ivanaldo Andrade de Sousa, a minha
irm, Gssica Andrade, aos meus tios, Ronaldo e Nanci, a minha noiva Lilliane
Medeiros, pela compreenso, confiana e companheirismo ao longo desses anos.
Ao grande amigo, o professor Dr. Humberto Csar Chaves Fernandes, pela orientao
com disponibilidade e alegria para ajudar.
Aos colegas da graduao e da ps-graduao pelo companheirismo e amizade
prestados durante esta etapa da minha vida, Leonardo Martins, Carlos Gomes, Anderson
Max.
UFRN por proporcionar a realizao deste trabalho e por consequncia a realizao
do meu doutorado.
Ao IFRN campus Mossor, em especial aos professores do grupo de eletrotcnica, pela
compreenso nesta etapa de minha vida.
Resumo
Os metamateriais tem atrado uma grande ateno nas ltimas dcadas,
principalmente devido as suas propriedades eletromagnticas no encontradas na
natureza. Desde que os metamateriais passaram a ser sintetizados atravs da insero de
incluses artificialmente fabricadas num meio hospedeiro especificado, isto propicia ao
pesquisador uma larga coleo de parmetros independentes, tais como as propriedades
eletromagnticas do material hospedeiro. Neste trabalho foi realizada uma investigao
das propriedades nicas dos Ressoadores em Anel Partido (Split Ring Ressonators -
SRR) e dos metamateriais compostos. Apresentou-se uma anlise terica e numrico-
computacional, utilizando o formalismo de onda completa atravs da aplicao do
mtodo da Linha de Transmisso Transversa LTT, para as caractersticas ressonantes
de uma antena de microfita com patch retangular utilizando substrato metamaterial,
assim como demonstrado com sucesso utilizao prtica dessas estruturas em
antenas. Esta utilizao prtica confirmada experimentalmente.
Palavras-chave: Metamaterial, Split Ring Ressonators, mtodo de Linha de
Transmisso Transversa, antena de microfita.
Abstract
Metamaterials have attracted a great attention in recent years mostly due to their
electromagnetic properties not found in nature. Since metamaterials began to be
synthesized by the insertion of artificially manufactured inclusions in a medium
specified host , it provides the researcher a broad collection of independent parameters
such as the electromagnetic properties of the material host. In this work was presents an
investigation of the unique properties of Split Ring Resonators and compounds
metamaterials was performed. We presents a theoretical and numerical analysis , using
the full-wave formalism by applying the Transverse Transmission Line - LTT method
for the radiation characteristics of a rectangular microstrip antenna using metamaterial
substrate, as is successfully demonstrated the practical use of these structures in
antennas. We experimentally confirmed that composite metamaterial can improved the
performance of the structures considered in this thesis.
Keywords: Metamaterial, Split Ring Resonators, Transverse Transmission Line
method, microstrip antennas.
i
Sumrio
Lista de Figuras ............................................................................................................... iii
Lista de Tabelas .............................................................................................................. vi
Lista de Smbolos e Abreviaturas .................................................................................. vii
Captulo 1 Introduo ...................................................................................................... 1 1.1 Objetivos ...................................................................................................................... 1
1.2 Organizao do Texto .................................................................................................. 2
Captulo 2 Antenas de Microfita ..................................................................................... 3 2.1 Antenas de Microfita ................................................................................................. 3
2.2 Vantagens e Limitaes das antenas de microfita ...................................................... 5 2.3 Mtodos de Alimentao ........................................................................................... 6
2.4 Mtodos de Anlise ................................................................................................... 7 2.4.1 Mtodos Aproximados ........................................................................................... 7
2.4.1.1 Modelo da linha de transmisso ........................................................................... 7 2.4.1.2 Modelo da Cavidade ............................................................................................ 8
2.4.2 Mtodos de Onda Completa.................................................................................... 9
Captulo 3 Substrato Metamaterial ............................................................................... 10 3.1 - Introduo ................................................................................................................ 10
3.2 A nova classe de materiais: Metamateriais ............................................................... 11 3.3 Propagao de ondas eletromagnticas em um meio metamaterial ........................... 13
3.4 Velocidade de grupo e de fase ................................................................................. 16 3.5 Projeto do meio Metamaterial .................................................................................. 17
Captulo 4 Aplicao do Mtodo LTT ........................................................................... 24
4.1 Desenvolvimento dos Campos Transversais ............................................................... 24
Captulo 5 Campos Eletromagnticos na Antena ......................................................... 31
5.1 Introduo .................................................................................................................. 31 5.2 Antena de Microfita com Substrato Metamaterial ....................................................... 31
5.3 Determinao das Equaes de Campos Eletromagnticos ......................................... 32 5.4 Expanso das Densidades de Corrente em Termos de Funes de Base ...................... 40
5.5 Concluses ................................................................................................................. 44
Captulo 6 Anlise dos Resultados................................................................................. 46 6.1 Resultados da Antena com Substrato Metamaterial .................................................... 46
6.1.1 Introduo ............................................................................................................... 46 6.1.2 Antena Retangular ................................................................................................... 48
6.1.3 CASO 1................................................................................................................... 48 6.1.4 CASO 2................................................................................................................... 49
6.1.5 Simulao usando o Ansoft HFSS para antenas de microfita com substrato
metamaterial ...................................................................................................... 50
ii
6.2 Antenas de Microfita com estruturas parasitas do tipo SRR ............................... 53
6.2.1 Monopolo antena de banda ultra larga com Split Ring Resonator como filtro.......... 54 6.2.2 Split Ring Resonator (SRR) ..................................................................................... 55
6.2.3 Simulaes e Resultados experimentais ................................................................... 57 6.3 Projeto de uma antena de Microfita com patch quadrado usando Spiral Loop
Resonator com duas bandas de corte para aplicaes em sistemas UWB ............ 62 6.3.1 Projeto da antena proposta ..................................................................................... 62
6.3.2 Parmetros analisados ............................................................................................ 63 6.3.3 Resultados e Discusses .......................................................................................... 66
Captulo 7 Modelagem e Anlise dos Resultados para Arranjos de Antenas .............. 70
7.1 Arranjos Linear .......................................................................................................... 71 7.1.1 Fase e Espaamento Entre os Elementos em um Arranjo Linear .............................. 73
7.